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[分享] 二极管得出对数和指数以光学方式感应AC / DC电流

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楼主 | 发布于 2019-09-24 | 只看楼主

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从理论上讲，电流检测电路的设计通常是基于简单的测量，该测量是基于与要感测的电流串联放置的电阻两端产生的IR电压的简单测量。从理论上讲。但是在实践中，有时复杂的因素结合在一起，使之变得更加有趣。
例如，为了最大程度地降低电流采样电阻器的效率和功率损耗，其电阻通常限制为毫欧，IR电压发展为毫伏，并且所产生的小信号可能会继续存在，需要从共模中提取大型噪声组件陪伴的10伏（有时为100伏）伏特电源轨的安装。这些设计挑战反映在许多创新拓扑和专用设备的开发中（仅后者就有52种来自ADI！）。
这个设计思想从另一个角度解决了这个经典问题。它仅使用通用组件，即可实现与任一极性的DC源以及AC兼容的光学隔离（因此具有共模免疫）电流检测拓扑。由此产生的电路可以说是一种通用电流传感器，它也很便宜，因为它不包含任何价格超过1美元的部件。它是这样工作的（图1）。

图1此设计思路的光隔离双极电流检测原理图

参考该原理图，分流电阻器Rs填补了通常的电流采样电阻的作用，在此示例中，Rs = 5毫欧时，将测量满量程因子设置为Is = 0.1 / Rs = 20安培。但是，通过选择合适的电阻器，几乎可以选择任何满量程电流。由Rs产生的电压Vs由光电耦合器O1和O2的串联LED采样，根据经典二极管方程式的变化形式（从制造商的数据手册I / V曲线中图形化地得出）：
I F（安培） = e （V – 1.45）/0.065）
尽管LED具有出色的发光能力，但它们仍然只是皮肤下的二极管，并且只要I F限制为最大额定电流的〜0.0001至0.1th，它们的对数/指数功能就非常有用。同样有用的对数/指数计算准则也适用于此处同样使用的1N4001。

O1和O2 LED的背对背串联连接减去并抵消了固定为1.45V项的二极管方程，从而使Rb提供的偏置电流Ib（标称值为2mA）可以按比例分配：

I F2 / I F1 = e （Vs / 0.065），
从Vs = 0（零电流）时的1.00变化为：
在Vs = 100mV（20A x 0.005欧姆）时e （0.1 / 0.065） = e （1.54） = 4.66。
请注意，分流的比率与Ib的精确大小无关，因此基于比率的电流测量的精度在很大程度上不受Ib的影响，因此不受电源电压变化的影响。还要注意比率计算对电流反转的响应能力：
例如，在Vs = −100mV时I F2 / I F1 = e （Vs / 0.065） = e （−1.54） = 1 / 4.66 = 0.215
尽管这些数字会随温度的变化而变化，但只要LED的温度在它们共享的封装中相互跟踪，它就与精度无关。此外，由于每个LTV-844发射器实际上都包括一对反并联连接的相同LED，所以施加电压的反转仅将发射从该对中的一个LED切换到另一个，从而使电流检测功能受到影响。这提供了前面提到的双极性和交流功能。
然后，O1 / O2 LED发射与I F2 / I F1之比成正比，从而导致耦合的光电晶体管集电极电流（CTR〜80％@ I F = 1mA）具有相似的比率，输入到D1和D2，产生正向电压根据
1N4001
二极管方程的版本：
V 1N4001 = 0.91 + 0.051 log e（IF）
V 1N4001的差分求和结果为：
A1的输出= Vd2 – Vd1 =（（-（0.91 + 0.051 log e（I F1））-（-（0.91 + 0.051 log e（I F2）））= 0.051 log e（I F1 / I F2）
然后，由D3，D4和A2从相同的对数比计算中减去此信号，而D3，D4和A2则由反馈放大器A3控制的参考光O3和O4所取。最终结果是，在使A2的输出为零时，A3隐式计算出O3 / O4的驱动信号，该信号精确且线性地镜像了O1 / O2处的电流检测信号。该信号被A4缩放以成为最终的电流检测输出，并带有一个可选的Cavg积分电容器来过滤由检测AC产生的全波整流波形。没有Cavg，传感器的带宽大约为50kHz。使用Cavg时，在60Hz时<1％的纹波大约为0.8Hz（RC = 200ms）。
输出信号的极性反映电流是从IN向前流到OUT端口（正），还是从OUT向IN反向（负）。这在电池状态监视中很有用，在该状态下，输出信号的简单积分将反映电池净放电与电荷的关系。
零（偏移）和校准（增益）微调器可提供对有源设备中生产变化的调节和校正。二极管方程项的温度灵敏度的最佳消除是通过对数比计算二极管D1 – D4的安装中的热接近度和optos O1 – 4共享一个公共封装来实现的。这可以简化，因为D1的唯一特性–真正重要的D4模拟计算是其标志。
最终的电流传感器价格便宜，用途广泛且坚固耐用，能够消除超过20倍满量程的电流瞬变（Rs热容量是限制因素）和大的共模差（The
LTV-844
额定电压为5kV！）。

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